Automatisierung Undefinierte Betriebszustände geplant ausschließen

Autor / Redakteur: Tobias Prem * / Gerd Kucera

Durch selektives Absichern von 24-VDC-Lastkreisen wird bei Überstrom nur der Fehlerpfad vom Schaltnetzteil getrennt, bevor diese ihre Ausgangsspannung senkt und es zum Anlagenstillstand kommt.

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Bild 1: Eine Strom- oder Spannungsverlaufskurve wird nur selten vom Hersteller bereitgestellt. Ohne sie ist die Anpassung eines Sicherungselements an die Last oder die Verbraucher-Gruppe nur schwierig oder gar nicht möglich.
Bild 1: Eine Strom- oder Spannungsverlaufskurve wird nur selten vom Hersteller bereitgestellt. Ohne sie ist die Anpassung eines Sicherungselements an die Last oder die Verbraucher-Gruppe nur schwierig oder gar nicht möglich.
(Bild: E-T-A)

In der komplexen Automatisierungstechnik mit 24-VDC-Anwendungen auf Schaltschrank- und Feldebene ist die normgerechte Planung aller Steuer- und Lastkreise eine konstante Herausforderung. Das betrifft die Elektro- und Hardwarekonstruktion im gesamten Maschinen- und Anlagenbau.

Gerade die selektive Dimensionierung von Sicherungskomponenten spielt bei der Auslegung von Stromkreisen und Verdrahtungskonzepten eine wichtige Rolle. Eine optimale Lösung im Hinblick auf Installation, Inbetriebnahme und Instandhaltung setzt dabei eine sehr strukturierte Vorgehensweise voraus.

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Für die Erstellung einer optimalen Absicherungs- und Stromverteilungslösung braucht das Konstruktionsteam alle Informationen rund um das Gesamtkonzept. Bei einer 24-VDC-Applikation auf der Steuerspannungsebene lässt sich dieses Konzept in vier zentrale Planungsschritte unterteilen:

  • Verbraucher und Lasten,
  • Spannungsversorgung,
  • Zulassungen / Normen / Richtlinien,
  • selektiver Überstromschutz bei Überlast und Kurzschluss.

In den relevanten Applikationen kommen viele unterschiedliche Geräte mit unterschiedlichsten Charakteristiken zum Einsatz. Typische Verbraucher in 24-VDC-Kreisen sind:

  • Steuerungen und CPUs,
  • I/O-Module,
  • Motor- und Antriebssteuerungen,
  • Industrie-PC, Monitor und Touch-Panel,
  • Buskoppler und dezentrale Peripherie,
  • 24-V-Gleichstrommotoren,
  • Magnetventile,
  • Aktoren und Stellglieder,
  • Sensoren und Messumformer.

Die genannten Lasten unterscheiden sich durch Ihre Funktion, den maximalen Betriebsstrom und das Ein- bzw. Abschaltverhalten bei kapazitiven oder induktiven Lasten. Diese technischen Daten müssen bei der Planung bekannt sein und spielen eine wichtige Rolle bei der Dimensionierung.

Eine genaue Funktionsbeschreibung und die exakten Leistungsdaten der Geräte sind in den meisten Fällen in einem Datenblatt aufgeführt. Eine Strom- oder Spannungsverlaufskurve wird dagegen nur selten vom Hersteller bereitgestellt. Jedoch ist die Anpassung eines Sicherungselements an die Last oder die Verbraucher-Gruppe ohne diese Informationen nur schwierig oder gar nicht möglich.

Um die ausgewählten 24-VDC-Verbraucher sicher betreiben zu können, wählt der Planer eine ausreichend dimensionierte Spannungsversorgung. Bei der Suche nach einer passenden Versorgungseinheit kann er dabei beispielsweise auf Trafonetzteile, Trafos und Gleichrichter bzw. Drehstrombrücke oder primär getaktete Stromversorgungen (SNT) zurückgreifen. In der 24-VDC-Technik trifft man hier sehr oft auf die zuletzt genannten Schaltnetzteile mit Nennströmen von 10 bis 40 A.

Bei der Dimensionierung des Leistungsvermögens der Netzteile sollten für alle Betriebs- und Fehlerzustände auch immer ausreichende Leistungsreserven zur Verfügung gestellt werden. Der Überlastfaktor eines Schaltnetzteiles liegt beim ca. 1,5-fachen des Nennstromes. Wird diese Grenze durch z.B. Überlast (ÜL) oder Kurzschluss (KS) überschritten, regelt das Netzteil die Ausgangsspannung zum eigenen Schutz zurück. Dies muss auch bei der Auslegung der Überstromschutzeinrichtungen berücksichtigt werden.

Optimaler Schutz durch aktive Strombegrenzung

Häufig haben alle Einzelkomponenten, die in ein 24-VDC-Gesamtkonzept integriert werden, diverse internationale Zulassungen zu erfüllen wie:

  • CE-Kennzeichnung nach den harmonisierten Normen der EMV-, Maschinen- oder Niederspannungsrichtlinie;
  • UL- und CSA-Zulassungen;
  • EX-Zulassungen nach UL oder Atex-Richtlinie.

Als letzter Planungsabschnitt bei der Auslegung der Systeme spielen der selektive Überstromschutz und die Auslegung von Absicherungskomponenten eine entscheidende Rolle. In der Praxis wird sehr häufig erst ganz am Ende der Elektro-Hardwareplanung an eine durchgängige Absicherung gedacht.

Um eine Fehlfunktion in Lasten und deren Zuleitungen generell im Griff zu haben, ist auch bei 24-VDC-Stromkreisen ein Schutzelement zwingend vorgeschrieben. Eine optimale Möglichkeit bieten elektronische Sicherungsautomaten mit aktiver Strombegrenzung. Mit dieser Funktion wird der Überlaststrom sowohl beim Einschalten als auch vor einer Abschaltung aktiv begrenzt. Mit den elektronischen Sicherungsautomaten vom Typ ESX10 und ESX10-T mit aktiver Strombegrenzung steht ein Überstromschutz zur Verfügung, der alle Aufgabenstellungen bei der einfachen und sicheren Planung von 24-VDC-Applikationen unterstützt.

Bei Kurzschluss fließt maximal der 1,8-fache Nennstrom

Bei dieser Lösung wird der maximale Strom im Lastkreis aktiv begrenzt, d.h. die Abschalt-Charakteristiken der Geräte bilden alle bekannten Schutzschalter-Kennlinien (mit A-, B-, C- und sogar D-Charakteristik) in einem einzigen Produkt ab. Bei einer Überlast wird ab dem 1,1-fachen des Nennstromes nach spätestens 3 s abgeschaltet. Die Strombegrenzung bewirkt im Kurzschlussfall, dass maximal der 1,8-fache Nennstrom fließen kann.

Dies wiederum ermöglicht eine planbare, selektive Absicherung aller typischen 24-VDC-Verbraucher, unabhängig von welcher Versorgungseinheit die Anwendung gespeist wird. Von Schaltnetzteilen versorgte Anwendungen lassen sich mühelos betreiben und absichern, denn ein Überlasten des Netzteils bei Kurzschluss ist durch den Begrenzungsfaktor des ESX10-T-Sicherungsautomaten bereits im Vorfeld ausgeschlossen.

Alle weiteren, nicht vom Überstrom-Fehler betroffenen Verbraucher laufen unbeeinflusst weiter. Auch Trafonetzteile und batteriebetriebene Anwendungen bis zu einem maximalen Einspeisestrom von 800 A lassen sich damit bedienen.

Um leistungsstarke Verbraucher wie Motoren oder 24-VDC-Industrie-PCs problemlos einschalten zu können, wird der limitierte Strom für mindestens 100 ms zur Verfügung gestellt. Bis zu diesem Zeitpunkt toleriert das Schutzelement erhöhte Anlaufströme durch beispielsweise im Verbraucher integrierte Eingangskondensatoren ohne Abschaltung. Beim ESX10-T-Sicherungsautomat kann dadurch eine zusätzliche Kennlinieneinstellung entfallen. Das Gerät reagiert immer so schnell wie nötig auf alle Überstromfälle. Mit den festen Nennstromstärken von 0,5 bis 16 A und weiteren einstellbaren Varianten, etwa 2 A, 4 A oder 6 A können sowohl leistungsstarke 24-VDC-Verbraucher als auch empfindliche Lasten und deren Zuleitungen zielgerichtet abgesichert werden.

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Der nur 12,5 mm breite und auf einer Hutschiene montierbare ESX10-T-Sicherungsautomat ist als einkanaliges Gerät ausgeführt und kann somit individuell an die Bedürfnisse der jeweiligen Anwendung angepasst werden. Weiter ist das Gerät mit den unterschiedlichsten Signalisierungs- und Steuermöglichkeiten ausgestattet. Hier sind verschiedene Varianten verfügbar. Überstrommeldungen lassen sich über Relais (Schließer- und Öffnerkontakt) bzw. Statusausgänge an die übergeordnete Steuerung weiterleiten. Eine speicherbrogrammierbare Steuerung kann zusätzlich Steuerbefehle wie z.B. Remote On/Off oder Reset übertragen.

Mit diversen Strom- und Signalschienen lassen sich aus dem modularen Gerät ohne weiteres mehrkanalige Lösungen aufbauen und auch vielfältige Signalisierungsarten wie Einzel- oder Sammelsignalisierung konfigurieren. Durch eine ausgeklügelte Mechanik und den durchdachten Aufbau der Komponente ist eine Minus-Lastrückführung direkt zum Modul möglich. Dem Hardwareplaner wird durch dieses spezielle Extra ermöglicht, dass er eine Unterverteilung direkt am elektronischen Sicherungsautomaten ESX10-T realisieren kann. Somit spart er Zeit für die Planung einer Verteilung und Kosten für weitere, nicht benötigte Komponenten ein.

Um das Konzept bestmöglich abzurunden, gibt es eine Vielzahl von Zulassungen: Neben der üblichen CE-Konformität erfüllt der Sicherungsautomat ESX10-T auch die UL2367, UL508, UL1604, CSA C22.2 No: 213, IEC/EN 60079-0 und IEC/EN 60079-15 Zündschutzart „n“ mit der Gerätekennzeichnung Ex II 3G Ex nA II B T4 Ge X und ist somit für die ATEX Ex Zone 2 zugelassen.

Die technischen Daten des ESX10-T sowie weitere Sicherungsautomaten finden Sie über die weiterführenden Links.

* Tobias Prem ist Applikationsspezialist in der Sparte Industry, Energy & Equipment bei E-T-A, Altdorf.

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